含二級電壓控制的風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性研究

李國華，沙明雙，任澤軍，李龍飛，李 昕，孫 毅

(1．東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2．鶴崗市電業(yè)局，黑龍江鶴崗154100;3．雙鴨山市電業(yè)局，黑龍江雙鴨山155100;4．齊齊哈爾電業(yè)局，黑龍江齊齊哈爾161000)

隨著風(fēng)電場裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電場接入電網(wǎng)對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響日益受到關(guān)注。風(fēng)電的大量接入使系統(tǒng)無功損耗增大，改變了電網(wǎng)的潮流分布，而且風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)使得風(fēng)機(jī)輸出功率不穩(wěn)定，對電網(wǎng)電壓也會造成一定的影響［1－2］。自動(dòng)電壓控制(AVC)是一種新型的電壓控制方式，其工作原理是在自動(dòng)裝置和給定電壓約束條件下，將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和無功補(bǔ)償裝置出力按照指令進(jìn)行閉環(huán)控制，使電網(wǎng)的無功潮流水平保持最優(yōu)［3－4］。其中，它的二級電壓控制是AVC控制系統(tǒng)中承上啟下的重要部分，因?yàn)槔枚夒妷嚎刂瓶梢愿纳骑L(fēng)電場電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。所以，本文應(yīng)用基于MATLAB的電力系統(tǒng)分析軟件包PSAT，搭建含有風(fēng)電場的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型，并在其中加入二級電壓控制，以分析其對電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型簡介

目前電力系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有:固定旋轉(zhuǎn)機(jī)組、最優(yōu)滑差控制機(jī)組、雙饋風(fēng)電變速機(jī)組和永磁直驅(qū)變速機(jī)組。其中雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用比較廣泛，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙饋電機(jī)的基本原理是在感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中加入一個(gè)可控電壓源，通過改變其電壓幅值和相角實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)速度和功率因數(shù)的控制。變速風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)除了定子繞組直接與電網(wǎng)相連以外，轉(zhuǎn)子繞組通過背靠背式功率變流器系統(tǒng)也與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了連接，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組均可與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。轉(zhuǎn)子變流器的存在如同在電機(jī)轉(zhuǎn)子電路上增加了一個(gè)可控的外部電壓相量，通過對該外部電壓相量的控制可以使雙饋電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。DFIG具有無功功率調(diào)節(jié)功能，可以提高風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)和控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Doubly fed generator system structure

2 二級電壓控制簡介

二級電壓控制原理:將整個(gè)電力系統(tǒng)劃分若干控制區(qū)域，在每個(gè)控制區(qū)域中選擇先導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)先導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差，按照預(yù)定的控制方式有效調(diào)整區(qū)域內(nèi)控制發(fā)電機(jī)AVR設(shè)定值，使先導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓基本保持不變，進(jìn)而維持整個(gè)區(qū)域的電壓水平，并使無功分布在一個(gè)良好的狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 二級電壓控制器Fig．2 Two class voltage controller

改進(jìn)的二級電壓控制(CSVC)為協(xié)調(diào)二級電壓控制，基本原理仍然是使區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓基本保持不變，但控制信號的作用包含多個(gè)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，且考慮發(fā)電機(jī)對所有主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的作用，控制信號通過求解一個(gè)最小化的多變量二次函數(shù)取得。根據(jù)不同的需要，可設(shè)定不同的目標(biāo)函數(shù)［5］，本文研究的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)由以下三項(xiàng)構(gòu)成。

1)使主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差最小。

2)使無功控制設(shè)備之間的相對無功發(fā)電量盡可能相同，以保持系統(tǒng)盡可能多的無功儲備。

3)使關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(本區(qū)域的邊界點(diǎn))的電壓離初始值偏差最小，以減少對相鄰區(qū)域的影響。

其具體模型如下式表示:

式中:V1，…，Vm為發(fā)電機(jī)端電壓，m為其臺數(shù);C1，…，Cn為無功補(bǔ)償器分接頭位置，n為其臺數(shù);T1，…，Tk表示有載調(diào)壓變壓器分接頭位置，k為其臺數(shù);αp，αG，αc分別為先導(dǎo)節(jié)點(diǎn)、電壓控制節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的集合，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為本區(qū)域的邊界點(diǎn);Vi，ref，Vi分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓參考值和實(shí)際電壓值;λa，λb為權(quán)重系數(shù);Qi，Qi，max分別為注入節(jié)點(diǎn)i，j的實(shí)際無功和無功最大限制;qref為相對無功發(fā)電量參考值u)=0，分別為節(jié)點(diǎn)i的有功和無功等式約束。

3 PSAT模型搭建

基于MATLAB數(shù)學(xué)語言編寫的電力系統(tǒng)分析軟件包PSAT是一種用于分析和設(shè)計(jì)中小型電力系統(tǒng)的軟件，其源代碼完全公開，支持用戶自定義模型［6－7］。

PSAT仿真軟件有兩種建模方法:一種是在Simulink上搭建網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算時(shí)自動(dòng)生成*．m文件;另一種是直接在*．m上輸入數(shù)據(jù)。本文采用第一種建模方法，搭建的仿真模型如圖3所示。

模擬仿真系統(tǒng)目的是研究二級電壓控制在含有風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響。具體研究思路是搭建IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型，其中雙饋感應(yīng)電機(jī)從1節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)。在母線2－4之間設(shè)置短路擾動(dòng)，根據(jù)擾動(dòng)發(fā)生后主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓變化情況及發(fā)電機(jī)無功功率分配情況，分析二級電壓控制對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及發(fā)電機(jī)無功功率分配的影響。

圖3 含風(fēng)機(jī)的IEEE14系統(tǒng)圖Fig．3 System scheme of IEEE14 with fan

4 算例分析

基于PSAT軟件，采用IEEE14節(jié)點(diǎn)算例，通過二級電壓控制模塊，實(shí)現(xiàn)二級電壓控制的原理與方法。基準(zhǔn)功率SB=100 MW。仿真過程分為三種方案進(jìn)行，將1號發(fā)電機(jī)用雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)替代。

方案一:不安裝二級電壓控制器。

方案二:安裝SVC二級電壓控制器。

方案三:安裝CSVC二級電壓控制器。

三種方案所采用的模型參數(shù)完全一致。由于系統(tǒng)規(guī)模相對較小且聯(lián)系緊密，故不對其進(jìn)行分區(qū)。選取節(jié)點(diǎn)4為主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，母線2、3上所連發(fā)電機(jī)為控制發(fā)電機(jī);二級電壓控制器參數(shù)為KI=0.02 s，KP=1 s，T發(fā)電機(jī)無功出力限制為 0.9～1.1 p．u．。方案三協(xié)調(diào)二級電壓控制模型采用文獻(xiàn)［5］所提出的遺傳算法進(jìn)行求解。

采用故障方式為t=1 s時(shí)，線路2～4之間發(fā)生短路故障。仿真結(jié)果如圖4—圖9所示。

圖4 4節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig．4 4 － bus voltage curve

圖5 6節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig．5 6 － bus voltage curve

圖6 8節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig．6 8 － bus voltage curve

圖7 發(fā)電機(jī)2的無功出力曲線Fig．7 Generator 2s’reactive power output curve

圖8 發(fā)電機(jī)4的無功出力曲線Fig．8 Generator 4s’reactive power output curve

圖9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功出力曲線Fig．9 Wind generators reactive power output curve

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，未安裝二級電壓控制器的電壓下降幅度較大。安裝了二級電壓控制器以后，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓經(jīng)30 s時(shí)間能夠恢復(fù)到初始值附近，其它各節(jié)點(diǎn)電壓也有不同程度的恢復(fù)。而通過對兩個(gè)無功源出力曲線進(jìn)行對比可以看出，協(xié)調(diào)無功源的控制器明顯增大了發(fā)電機(jī)1的無功出力，減小了發(fā)電機(jī)3的無功出力，使兩機(jī)的無功裕度相對增加。因此，二級電壓控制可以根據(jù)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差，按照預(yù)定的控制方式，協(xié)調(diào)有效地調(diào)整區(qū)域內(nèi)各控制發(fā)電機(jī)AVR的參考電壓值，從而使主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓基本不變。同時(shí)，利用剩余的控制自由度使無功源的出力更加均衡。

5 結(jié)論

本文研究的二級電壓控制模型定義了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，考慮了二級電壓控制區(qū)域間的影響。模型所選的控制器不僅包含了發(fā)電機(jī)等連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)備，還包含了有載調(diào)壓變壓器等離散調(diào)節(jié)設(shè)備，控制更接近于實(shí)際電力系統(tǒng)。將模型中的一臺發(fā)電機(jī)改為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用PSAT進(jìn)行二級電壓控制系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性仿真，結(jié)果表明，雙饋風(fēng)電機(jī)組具有快速、平滑的無功控制能力，在二級電壓控制的作用下可使發(fā)電機(jī)無功出力水平更加均衡，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的電壓分布，大幅改善系統(tǒng)電壓－無功水平。

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